1 引言

近年來，中國國家電網(wǎng)智能化改造非常迅猛。2013 年，中國國家電網(wǎng)公司推出新一代的智能電能 表系列標(biāo)準(zhǔn)。在新標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)電源供電的規(guī)格提出新的要求。

其中，智能電表中的載波通信(PLC)模塊供電規(guī)格，要求最為嚴(yán)格。新標(biāo)準(zhǔn)要求智能電表通信載波 模塊供電 12V Vcc，在滿載時(shí)的輸出電壓紋波要小于 1‰（單相智能表的滿載電流是 125mA，三相 智能表的滿載電流是 400mA）。

圖 1 是常用的三相智能表電源架構(gòu)。從電源架構(gòu)上看，智能表通過線性交流變壓器+整流橋的方 式，將 220Vac 降到較低的直流電壓。由于智能表需要有抗接地故障抑制能力(按國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，要求在 2 倍額定電壓的情況下，電能表不能損壞)，其輸入電壓范圍通常較寬一般需要 0.8 倍~2 倍的額定電 壓。

圖 1. 常用國網(wǎng) 3 相電表電源架構(gòu)

TI 的 LM5017，是新一代高壓同步變換器。其輸入電壓范圍是 7.5V~100V，輸出電流可以達(dá)到 600mA，非常適合在三相智能表中應(yīng)用。

2 紋波注入原理
在新國網(wǎng)規(guī)范中，LM5017 需要面對(duì)的主要問題是：如何實(shí)現(xiàn)載波模塊供電時(shí)的 1‰紋波輸出。 LM5017 采用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制(Constant On-time Control, COT)，其內(nèi)部框圖如圖 2 所示。

LM5017 通過 Ron 來設(shè)定固定的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度 Ton。當(dāng) FB 的電壓低于 1.225V 時(shí)，內(nèi)部的快速比較器觸發(fā) COT 控制邏輯模塊輸出固定的 Ton(控制管，即上管)。Ton 時(shí)間結(jié)束后，關(guān)斷控制管，直到FB 的電壓再次低于 1.225V。

COT 控制的反饋是采用高速比較器來實(shí)現(xiàn)。為了保證高速比較器穩(wěn)定工作，COT 對(duì) FB PIN 的紋 波會(huì)有一定的要求，LM5017 要求 FB PIN 的最小紋波是 25mV。當(dāng) LM5017 的輸出紋波需要滿足國 網(wǎng)對(duì)載 波模 塊輸 入紋 波<1‰ 的要 求時(shí) ， 其 輸出紋 波 經(jīng)分 壓電 阻 分 壓后， 在 FB Pin 的紋波 為<1.2mV，遠(yuǎn)低于 LM5017 的需求，有可能導(dǎo)致 LM5017 工作不穩(wěn)定。因此，需要外加紋波注入線 路，人為在 FB Pin 上產(chǎn)生一定的紋波，使其滿足 LM5017 的需求。

圖 2. LM5017 內(nèi)部框圖

圖 3 是一種最小紋波的紋波注入電路。其通過 SW Pin 與 Vout 的電壓在 Rr、Cr 上產(chǎn)生一個(gè)三角 波，其通過 Cac 注入 FB Pin。由于其不需要通過輸出紋波來滿足 FB pin 的 25mV 的要求，該線路 理論上可以達(dá)到輸出零紋波。

圖 3. 最小輸出紋波的紋波注入電路

增加紋波注入電路之后，COT 模式環(huán)路穩(wěn)定判定條件如下[1]：

在實(shí)際電表應(yīng)用中，整流橋之后的輸出存在較大的低頻交流紋波，其對(duì)輸出紋波的影響非常大， 需要選擇合適的紋波注入?yún)?shù)。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

三相智能電表的給通信載波模塊供電時(shí)，DC-DC 變換器的規(guī)格如下：

輸入電壓范圍：18~50V(50V 為兩倍輸入耐壓)， 220Vac 輸入時(shí)，輸入電壓為 21V 左右。 輸出：12V/400mA，輸出電壓紋波<12mV。
開關(guān)頻率：500kHz

輸出反饋電阻：RFB1 為 1.2kohm，RFB2 為 10.5kohm

3.1 輸出電感選擇

設(shè)輸出電壓上的紋波電流為 100mA，正常輸入電壓在 21V 左右，則輸出電感為：

L1 選擇為 100uH 電感。在此采用 TDK 的 SLF10145T-101M1R0，DCR 為 0.2ohm。該電感在 19V 輸入時(shí)，輸出電流紋波為：

3.2 輸出電容選擇

輸出開關(guān)紋波為 6mV(考慮一定的裕量)，輸出電容采用瓷片電容。式 5 是計(jì)算恒定負(fù)載條件下， 滿足輸出最大允許紋波的最小輸出電容值。

因此，輸出電容選擇 10uF 瓷片電容。瓷片電容的 ESR 一般在 2mohm 左右，此應(yīng)用中電容 ESR 對(duì)輸出紋波電壓的影響可以忽略不計(jì)。在實(shí)際線路中，為了降低輸入低頻紋波對(duì)輸出的影響，輸出 電容在 10uF 瓷片電容的基礎(chǔ)上，還并了一個(gè) 330uF 的電解電容。

3.3 Cr, Rr 選擇

當(dāng) Cr*Rr=L/DCR 時(shí)，注入的紋波等于電感 DCR 產(chǎn)生的紋波。當(dāng) Cr*Rr>L/DCR 時(shí)，注入的紋波 小于電感 DCR 產(chǎn)生的紋波。反之，當(dāng) Cr*Rr<L/DCR 時(shí)，注入紋波大于 DCR 產(chǎn)生的紋波。

電感 DCR 產(chǎn)生的紋波，可以由式 6 得到：

需要注入最小紋波為 25mV，則

需要滿足 COT 模式，環(huán)路穩(wěn)定的判據(jù)：

則 Cr 選 3300pF，Rr≤137kohm。此處，Rr 實(shí)際選擇為 100kohm。

3.4 Cac 選擇

Cac 是為了除去 Cr 上的直流電平。從實(shí)驗(yàn)上看，Cac 不能太大，Cac 過大，輸出電壓的線性調(diào)整 率會(huì)變差。同時(shí)，當(dāng)輸入電壓有低頻波動(dòng)時(shí)，輸出電壓上也會(huì)產(chǎn)生類似的低頻波動(dòng)，導(dǎo)致輸出電壓 紋波過大。根據(jù) COT 模式，環(huán)路穩(wěn)定的判據(jù)，可得：

因此，Cac 選擇為 470pF。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)線路是按圖 4 的參數(shù)，在 LM5017 的 EVM 板進(jìn)行修改。 在實(shí)際電表應(yīng)用中，整流橋之后的輸出電壓存在低頻交流紋波。惡劣情況下，DC-DC 變換器的輸入電壓低頻交流紋波峰-峰值可能達(dá)到 0.8V 左右。在實(shí)驗(yàn)中我們采用直流電源的 VRAMP 功能，在直流電平上產(chǎn)生一個(gè)交流三角波，來模擬實(shí)際電表中出現(xiàn)的情況。

圖 4. LM5017 原理圖(12V@400mA)

從實(shí)驗(yàn)上看，Cac(C3)與 Rr(R1)值的大小，對(duì)輸出低頻交流紋波有較大的影響。Cac 越大時(shí)，輸 出低頻紋波越大。Rr 值越小，輸出低頻紋波越大。

圖 5~圖 8 的測(cè)試條件為：輸入電壓 21V(交流分量的峰峰值為 0.8V)，輸出為 12V@400mA。如圖 5、圖 6 所示，當(dāng) Cac 為 0.1uF、10nF 時(shí)，輸出紋波的峰峰值(含低低頻分量)為 21.2mV、
20.4 mV。在相同的外圍參數(shù)的情況下，將 Cac 改為 470pF，如圖 7 所示，輸出紋波的峰峰值降為
10.8mV。

如圖 8 所示，與圖 7 相比，Rr 降為 49.9kohm，其輸出紋波的峰峰值增大到 14.4mV。

圖 5. Cac 為 0.1uF 時(shí)，輸入、輸出電壓紋波(400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF)

圖 6. Cac 為 10nF 時(shí)，輸入、輸出電壓紋波(400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF)

圖 7. Cac 為 470pF 時(shí)，輸入、輸出電壓紋波(400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF)


圖 8. Rr 為 49.9kohm 時(shí)，輸入、輸出電壓紋波(400mA 輸出，Cac 為 470pF，Cr 為 3300pF)

圖 9. 不同 Cac 的輸入線性調(diào)整率(400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF)

圖 9 是在不同 Cac 時(shí)的輸入線性調(diào)整率比較，其測(cè)試條件為：輸入電壓是直流電壓，輸出電流為400mA，Rr 為 100koh，Cr 為 3300pF。從圖中可看出 Cac 越小，輸出電壓的線性調(diào)整率越好。

5 總結(jié)

LM5017 可以通過適當(dāng)?shù)募y波注入?yún)?shù)的選擇，可以實(shí)現(xiàn)載波模塊供電時(shí)的 1‰紋波輸出。按本 文給出的紋波注入?yún)?shù)的計(jì)算方式，與實(shí)際測(cè)試非常吻合。